近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與納米結(jié)構(gòu)研究室研究員費廣濤課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士張堯合作，在光電晶體管的光調(diào)控方面取得進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，Ag/TiO2復(fù)合薄膜在外加兩束光照射后，具有類似于三極管的特性，可以實現(xiàn)對光電信號的增強、開關(guān)和調(diào)制，該器件被稱為全光輸入的晶體管。相關(guān)結(jié)果作為卷首圖片(Frontispiece)文章發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Adv. Funct. Mater. 28(40), 1870290 (2018)）上。

銀/二氧化鈦(Ag/TiO2)多孔膜由于其表面等離共振及熱電子的快速轉(zhuǎn)移特性，被認(rèn)為是熱電子光探測器的理想材料，而增強其光響應(yīng)度一直是科研人員研究的目標(biāo)。課題組助理研究員高旭東等在研究Ag/TiO2多孔膜對近紅外光的響應(yīng)性能時偶然發(fā)現(xiàn)，在近紅外光照射的基礎(chǔ)上再增加一束紫外光照射，該復(fù)合薄膜對近紅外光探測的響應(yīng)度會有近100倍的增加(圖1)。

這表明，Ag/TiO2復(fù)合薄膜在外加兩束光照射后，具有類似于三極管的特性。眾所周知，三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管有三個電極，分別是基極、發(fā)射極和集電極。通常情況下，在三極管中，電信號從基極輸入，從集電極輸出，它的輸出特性曲線如圖2a所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)近紅外光作為源極信號光輸入，復(fù)合薄膜將這種近紅外光轉(zhuǎn)換成電信號輸出，在此基礎(chǔ)上，再外加紫外光照射到復(fù)合薄膜上，可以調(diào)控輸出的電信號，輸出特性曲線如圖2b。比較圖2b與圖2a可見，Ag/TiO2復(fù)合薄膜的輸出特性曲線與三極管的輸出特性曲線非常相似，因此，將這種Ag/TiO2復(fù)合薄膜稱作全光輸入的晶體管。值得一提的是，這種光電器件只需要兩束光輸入，不需要外加電驅(qū)動。

分析表明，這種光控光電流增強特性源于器件的Ag與TiO2之間的肖特基勢壘。多孔TiO2在一般情況下，表面有大量的化學(xué)吸附氧，表面能帶向上彎曲，在與Ag接觸后，便形成高勢壘肖特基結(jié)(圖3a)。近紅外光照射到Ag薄膜上時，會激發(fā)表面等離激元，進(jìn)而產(chǎn)生熱電子。部分熱電子會越過Ag與TiO2之間的肖特基勢壘，進(jìn)入TiO2一側(cè)，進(jìn)而產(chǎn)生光電流。由于肖特基勢壘較高，越過勢壘的熱電子數(shù)量較少。而當(dāng)紫外光照射到Ag/TiO2復(fù)合薄膜上時，TiO2內(nèi)部產(chǎn)生的光生空穴可以從表面吸附的氧上奪取電子(去氧吸附)，導(dǎo)致表面能帶下降，進(jìn)而使肖特基勢壘下降。也就是說，通過紫外光照射可實現(xiàn)肖特基勢壘高度的調(diào)節(jié)。隨著肖特基勢壘的降低，越過勢壘進(jìn)入TiO2一側(cè)的熱電子會大幅度增加，導(dǎo)致光電流有數(shù)量級的增加(圖3b)。由此，通過控制紫外光的光強來調(diào)節(jié)肖特基勢壘高度，可實現(xiàn)對輸出熱電子光電流的可控調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)光電流輸出的有效放大。

類比于三極管對電信號的放大、開關(guān)和調(diào)制等功能，這種Ag/TiO2復(fù)合薄膜全光輸入的晶體管可用于對光電信號的增強、開關(guān)和調(diào)制(圖4)。該項工作為未來光電器件的研制提供了重要參考。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的資助。

圖1. 光電流增強效應(yīng)：紫外光照對器件近紅外光響應(yīng)的影響

圖2. (a) 三極管的輸出特性曲線，(b) Ag/TiO2復(fù)合薄膜的光電輸出特性曲線。

圖3. Ag/TiO2復(fù)合薄膜的光電響應(yīng)過程能帶圖：(a) 近紅外光(PS)激發(fā)的熱電子越過高肖特基勢壘，(b) 近紅外光(PS)激發(fā)的熱電子越過被紫外光(PG)降低后的肖特基勢壘

圖4. Ag/TiO2全光輸入晶體管工作機理的應(yīng)用

圖5. Ag/TiO2全光輸入晶體管工作機理的能帶示意圖(Frontispiece image)